Refracción y reflexión
Hasta ahora hemos considerado ondas que se propagan en un único medio de extensión indefinida. Sin embargo, lo normal es que una onda después de propagarse una distancia determinada, alcance la superficie de separación entre dos medios distintos. Cuando ello ocurre, tienen lugar, por lo general, dos fenómenos:
1) Una parte de la onda continúa viajando a través del primer medio, lo que se conoce como reflexión.
2) Otra parte se propaga al nuevo medio, lo que conocemos como refracción.
En los dos casos suele haber un cambio de dirección con relación a la onda incidente.
Nos vamos a centrar en la propagación de las ondas luminosas en concreto, cuando hay un cambio en la velocidad de la luz, es decir, del índice de refracción, que denotamos por n, y viene dado por el cociente de la velocidad de la luz en el vació: c, entre la velocidad de la luz en el medio en el que estemos v:
Cuando el rayo de luz llega a la superficie que separa dos medios, una parte se va a reflejar en el mismo medio del que procede; y otra parte se refracta, es decir, pasa al segundo medio y continua la propagación produciéndose un cambio en la dirección. Considerando que el índice de refracción del primer medio es n1, y análogamente n2 para el segundo medio, llamamos ángulo de incidencia al ángulo que forma el rayo con la normal a la superficie, que en la imagen anterior corresponde con q1; al ángulo q»1 se le denomina ángulo de reflexión; mientras que al ángulo q2 se le denomina ángulo de refracción. Estos dos últimos ángulos también se miden respecto a la normal.
LEYES DE REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN
La refracción y la reflexión de las ondas se rigen por las siguientes leyes:
1. El rayo incidente, el refractado y el reflejado se encuentran en un mismo plano, en el que además también está la normal a la superficie que separa ambos medios.
2. Ley de la reflexión: El ángulo de incidencia coincide con el ángulo de reflexión: q1 = q»1
3- Ley de Snell: Gracias a esta ley podemos calcular a partir del ángulo de incidencia y de los índices de refracción respectivos n1 y n2 el ángulo refractado: n1 sen q1 = n2 sen q2
En el caso particular en el que el primer medio es el vacío, y por tanto n1=1, entonces la ley de Snell quedaría de la siguiente manera: sen q1 = n2 sen q2.
En el caso en el que pudiéramos medir los ángulos, podríamos utilizar la fórmula para obtener el índice de refracción del segundo medio y por tanto la velocidad del segundo medio.
REFLEXION TOTAL
Si el rayo de luz pasa de un medio a otro en el que hay menor índice de refracción que en el primer, es decir, n1>n2; entonces cuando el ángulo de incidencia es pequeño hay una parte que se refleja y otra parte que se refracta. De tal forma que se cumplen las leyes anteriores enunciadas para la refracción y la reflexión.
Para el caso particular en el que rayo de incidencia es tal que el de refracción es de 90º, el ángulo de incidencia se denomina ángulo límite. No obstante, en el caso en el que ángulo de incidencia es mayor, no se produce rayo refractado, produciéndose un efecto que se llama reflexión total.
Además de los fenómenos de reflexión y refracción, es importante considerar otros efectos relacionados con la propagación de la luz en diferentes medios. Uno de estos efectos es la dispersión, que ocurre cuando la velocidad de la luz varía con la frecuencia de la onda. Esto provoca que diferentes colores de luz se refracten en ángulos ligeramente distintos, como se observa en un prisma óptico que descompone la luz blanca en un espectro de colores.
Otro fenómeno relevante es la absorción, donde parte de la energía de la onda luminosa es absorbida por el medio, transformándose en otras formas de energía, como calor. La cantidad de absorción depende de las propiedades del medio y de la longitud de onda de la luz.
En aplicaciones prácticas, la comprensión de la refracción y la reflexión es fundamental en el diseño de lentes y sistemas ópticos. Las lentes utilizan la refracción para enfocar la luz y formar imágenes, y se emplean en una amplia gama de dispositivos, desde gafas y microscopios hasta cámaras y telescopios. La reflexión, por su parte, es crucial en la fabricación de espejos y en la tecnología de fibra óptica, donde se utiliza la reflexión total interna para guiar la luz a través de largas distancias con mínima pérdida de señal.
En el ámbito de la tecnología, los principios de la refracción y la reflexión también son aplicados en el desarrollo de sensores ópticos y dispositivos de comunicación. Los sensores ópticos pueden detectar cambios en el índice de refracción de un medio, lo que es útil en diversas aplicaciones industriales y médicas. En las comunicaciones, las fibras ópticas permiten la transmisión de datos a alta velocidad mediante la reflexión total interna, revolucionando la forma en que se transmiten las señales de internet y las telecomunicaciones.
Finalmente, es interesante mencionar el fenómeno de la birrefringencia, que ocurre en ciertos materiales anisotrópicos donde la luz se divide en dos rayos con diferentes velocidades y direcciones de propagación. Este efecto es aprovechado en dispositivos como los polarizadores y en técnicas avanzadas de microscopía para estudiar las propiedades de los materiales.
La comprensión de estos fenómenos ópticos no solo es esencial en la física teórica, sino que también tiene un impacto significativo en la innovación tecnológica y en la mejora de la calidad de vida a través de diversas aplicaciones prácticas.